5.2 Поглощение лазерного излучения

Основной процесс, определяющий технологическое воздействие лазерного излучения на вещество – это процесс поглощения излучения. Определенная часть падающего на границу раздела «обрабатываемый образец – окружающая среда» излучения при этом отражается образцом.

Механизм поглощения излучения и соответственно механизм рассеяния фотонов определяется многими факторами, и в том числе агрегатным состоянием вещества образца, его структурой, энергией фотона , где h – постоянная Планка, ν – частота волны излучения (напомним, что фотон характеризуется также импульсом и поляризацией). В настоящее время в технологических процессах используется в основном лазерное излучение с энергией фотонов 0,1 – 5 эВ (λ = 10,6 – 0,2 мкм).

Как и в случае воздействия на вещество энергетическим потоками другого типа, технологическая задача взаимодействия лазерного излучения с веществом образца сводится, в первую очередь, к определению пространственно-временного распределения поглощенной энергии (интенсивности), в частности, нахождению функции q = q (x,y,z,t).

Эту функцию можно представить в виде произведения трех составляющих:

. (5.2)

В конденсированных средах затухание интенсивности лазерного излучения следует известному экспоненциальному закону Бугера - Ламберта, который в изотропных и однородных средах для направления, вдоль которого распространяется излучение, записывается как

, (5.3)

где А – коэффициент поверхностного поглощения,  – коэффициент объемного поглощения, q₀ – плотность мощности на поверхности твердого образца.

В большинстве технологических применений лазерного излучения имеет место цилиндрическая симметрия геометрии взаимодействия. Тогда при однородном распределении интенсивности по сечению лазерного пучка а для q₂ справедливо выражение

, (5.4)

где  – коэффициент сосредоточения.

Функция q₃, определяющая временную зависимость интенсивности излучения, зависит в основном от режима генерации лазера (свободная генерация, упорядоченные пульсации, модуляция добротности резонатора и пр.) и формы лазерного импульса. Эта зависимость может быть достаточно сложной и не всегда представляется в аналитическом виде.

Схема такой задачи взаимодействия лазерного излучения с твердым образцом показана на рис. 5.2

К ак следует из (5.2) и (5.3), задача описания поглощения лазерного излучения веществом при значениях интенсивности, где действует закон Бугера -Ламберта, в первую очередь, сводится к определению коэффициентов a и А.

Рисунок 5.2 –  Схема задачи взаимодействия лазерного излучения кругового сечения с твердым веществом (q₀ – плотность мощности на поверхности твердого образца)

Для непрозрачных твердых тел доля интенсивности падающего монохроматического излучения, поглощенная телом, равна

, (5.5)

где А – коэффициент поверхностного поглощения (степень черноты); R – отражательная способность при нормальном падении излучения. Значения R и А можно вычислить по данным измерений оптических постоянных или комплексного показателя преломления. При комплексном показателе преломления

(5.6)

отражательная способность в случае нормального падения излучения составит

(5.7)

а степень черноты

(5.8)

В общем случае пиk – функции длины волны и температуры. В качестве примера на рис. 5.3 показаны изменения пиk с длиной волны и соответствующие изменения А для Ti при температуре 300 К. Видно, что и п и k относительно слабо зависят от λ в интервале длин волн 0,4 < λ < 1,0 мкм, а поглощательная способность в этом интервале велика. При больших λ, п и k быстро увеличиваются с ростом λ, в свою очередь А падает до небольшой доли своего значения на более коротких длинах волн.

В конечном итоге значения коэффициентов поверхностного (А) и объемного поглощения (a) определяются в основном механизмами поглощения излучения веществом. Для твердых тел можно выделить следующие механизмы поглощения:

• Рисунок 5.3 –  Зависимость поглощательной способности А, действительной и мнимой части показателя преломления пиkот длины

  волны λ для Ti при 300 К

  поглощение свободными носителями заряда;

• фундаментальное (или основное) поглощение;

• примесное поглощение;

• решеточное поглощение.

Рассмотрим различные механизмы поглощения излучения конденсированным средами подробнее

Поглощение света свободными носителями заряда

Этот механизм преобладает в металлах и является одним из основных в полупроводниковых материалах. Такое поглощение связано с движением носителей заряда под действием электрической составляющей электромагнитной волны. Энергия волны затрачивается на ускорение носителей заряда и она уменьшается.

Поглощение энергии излучения приводит к значительному увеличению кинетической энергии электронов проводимости. За время ~10^-13 – 10^-11 с электронный газ нагревается до температуры Т_е, значительно превосходящей температуру решетки Т_i (Т_е >> Т_i). За счет неупругих взаимодействий с атомами решетки в течение времени 10^-11 – 10^-10 с электроны передают избыточную энергию решетке, в результате чего температуры выравниваются: , т.е. происходит преобразование энергии излучения в нагрев вещества ( ).

Аналитический расчет дает для величин А и  в случае металлов выражения:

, (5.9)

, (5.10)

где ω – круговая частота лазерного излучения (в технологических лазерах обычно ), ε₀ – электрическая постоянная, μ₀ – магнитная постоянная, σ_эл – удельная электрическая проводимость металла.

Э кспериментальные данные для объемного коэффициента поглощения А на длинах волн излучения технологических лазеров при температуре 20⁰С приведены в табл. 5.1. На рис 5.4 представлены экспериментальные зависимости коэффициента отражения R = 1 - А для некоторых металлов от λ.

А

Рисунок 5.4 –  Зависимость коэффициента отражения лазерного излучения от длины волны для полированных металлических образцов

нализ данных табл. 5.1 и рис. 5.4 показывает, что поглощение лазерного света поверхностями металлов при 20 °С в видимой области почти на порядок величины больше, чем в ИК-области. Однако приведенные значения А относятся только к чистым металлическим поверхностям при нагреве в вакууме. В большинстве практических применений лазерного нагрева это условие не выполняется из-за образования оксидов или наличия поверхностных загрязнений. В этих случаях в ИК-области степень черноты может существенно возрасти, тогда как в видимой области больших увеличений А не наблюдается.

Так по данным некоторых исследователей, для нержавеющей стали при λ = 10,6 мкм коэффициент поглощения А увеличивается в 2,5 раза (при Т = 1000°С) при наличии поверхностных окислов. А коэффициент поглощения молибдена возрастает с А ≈ 0,027 до А ≈ 1 при окисления в воздухе при Т = 700 °С,

Таким образом, в практических условиях, различие между коэффициентом поглощения на длине волны излучения СО₂  – лазера (10,6 мкм) и А в видимой области не настолько велико, как следовало бы из данных табл. 5.1.

Разогрев вещества в процессе преобразования энергии лазерного излучения в тепло тоже может привести к существенному изменению величины А. Поскольку коэффициент А зависит от удельной электрической проводимости σ_эл (см. (5.9)), а последняя уменьшается с ростом температуры, то увеличение температуры металла в процессе лазерной обработки приводит к росту коэффициента поглощения . Экспериментальные данные по зависимости степени черноты от температуры для некоторых металлов приведены на рис. 5.5 (λ = 10,6 мкм).

Таблица 5.1

Рисунок 5.5 –  Зависимость коэффициента поглощения учения от температуры Т

для некоторых металлов при λ = 10,6 мкм

Фундаментальное и примесное поглощение света

Фундаментальное поглощение определяется поглощением энергии фотона электронами, находящимися в валентной зоне, т.е. связанными с атомами вещества. При поглощении фотона атом ионизуется, а электрон переходит из валентной зоны E_v в зону проводимости Е_с (ΔE_g = Е_с - E_v). Такой процесс характерен для собственных полупроводников и диэлектриков, а поглощение происходит при условии hv >ΔE_g и приводит к генерации пары носителей заряда – электрона и дырки.

П ереведенные из валентной зоны в зону проводимости электроны не являются равновесными и за время 10^-10 – 10^-9 с они релаксируют через промежуточные уровни на дно зоны проводимости. Разница энергий Е_возб - Е_с передается решетке. Со дна зоны проводимости электрон в результате рекомбинации переходит опять в валентную зону излучательным (люминесценция) или безызлучательным образом. В последнем случае энергия выделяется в виде кванта колебаний кристаллической решетки – фонона (рис. 5.6, а).

Рисунок 5.6 –  Схемы возможных механизмов фундаментального поглощения лазерного излучения полупроводниковыми материалами:

а - с безызлучательной рекомбинацией; б - с излучательной рекомбинацией

Возможные каналы поглощения фотонов с последующим процессом излучательной рекомбинации показаны на рис. 5.6, б, где v' и v" – частоты рекомбинационного излучения.

Граница собственного поглощения зависит от ширины запрещенной зоны и для прямых переходов определяется как

, (5.11)

где λ_гр в микрометрах, ΔE_g в электронвольтах

Воздействие интенсивного лазерного излучения на полупроводник вызывает образование значительного количества неравновесных свободных носителей (обычно концентрация равновесных электронов и дырок составляет в собственном полупроводнике величину порядка 10²⁰ см^-3), что приводит к включению рассмотренного выше механизма поглощения свободными носителями заряда.

М

Рисунок 5.7 –  Схема примесного поглощения лазерного излучения

полупроводником n-типа

еханизм примесного поглощения определяется переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на уровни примеси. Такое поглощение наблюдается обычно при энергиях фотонов, значительно меньших ΔE_g и близких к энергии активации данной примеси ΔE_d : hv > ΔE_d > kТ. Схема действия примесного механизма поглощения показана на рис. 5.7

Решеточное поглощение излучения

Этот вид поглощения реализуется при hv < ΔE_g и связан с возбуждением колебаний решетки твердого тела. Решеточное поглощение возможно только в сложных кристаллах, т.е. в тех, у которых в одной элементарной ячейке содержится несколько атомов.

Этот механизм поглощения в основном реализуется в кристаллических диэлектриках, у которых ΔE_g > 8 эВ (λ_гр < 0,15 мкм). Для большинства материалов спектр решеточного поглощения определяется диапазоном λ = 20 – 80 мкм. Выпускаемые серийные лазеры, как уже отмечалось, генерируют излучение в диапазоне 0,3 – 10,6 мкм, куда попадает полоса поглощения лишь некоторых аморфных диэлектриков, например, силикатных стекол.

Обработку кристаллических и аморфных диэлектриков обычно производят лазерным излучением, прозрачным для данного материала (под прозрачностью понимают отсутствие поглощения). При этом понятие прозрачности корректно для интенсивностей, при которых не изменяются оптические, теплофизические и упругие параметры материала.

Начиная с некоторой интенсивности излучения, определяемой целым рядом факторов, наблюдаются повреждения и разогрев материала прозрачных диэлектриков. Среди основных причин, приводящих к этому, можно выделить следующие:

• загрязнение поверхности, наличие химических радикалов на ней;

• поглощение на примесях и дефектах в объеме материала.